曲面的切平面和法线方程.doc

范文范例 精心整理 word完美格式 曲面的切平面与法线方程 设 中曲面Σ的方程为F (x , y , z) = 0，函数F (x , y , z)在曲面Σ上点 处可微，且 ，过点 任意引一条位于曲面Σ上的曲线Γ。设其方程为 ，且 对应于点 ； 不全为零。由于曲线Γ在Σ上，则有 及 。该方程表示了曲面上任意一条过点 的曲线在该点的切线都与向量 垂直，并且这些切线都位于同一平面上，这个平面就称为曲面Σ在点 处的切平面. 点 称为切点. 向量 称为曲面Σ在点 处的一个法向量。 记为 。 基本方法： 1、设点 在曲面F(x, y, z)=0上，而F(x, y, z)在点 处存在连续偏导数，且三个偏导数不同时为零，则曲面F(x, y, z)=0在点 处的切平面方程为 . 法线方程为 . 2、设点 在曲面z = f (x, y)上，且z = f (x, y) 在点 M0 (x0, y0) 处存在连续偏导数，则该曲面在点 处的切平面方程为 . 过X0的法线方程为 . 注：方法2实际上是方法1中取 的情形. 3、若曲面∑由参数方程 x = x(u, v) , y = y(u, v) , z = z(u, v) 给出，∑上的点 与uv平面上的点（u0 , v0）对应，而x(u , v) , y(u , v) , z(u , v)在（u0 , v0）处可微.曲面∑在点X0处的切平面方程及法线方程分别为 和 三、答疑解惑 问题：曲面∑的参数方程为x = x(u , v) , y = y(u , v) , z = z(u , v)，∑上的点 与u , v平面上的点（u0 , v0）对应，怎样确定∑在点X0处的法向量？ 注释：设x(u , v) , y(u , v) , z(u , v) 在（u0 , v0）处可微，考虑在∑上过点X0的两条曲线. Γ1：x = x(u , v0) , y = y(u , v0) , z = z(u , v0); Γ2：x = x(u0 , v) , y = y(u0 , v) , z = z(u0 , v). 它们在点X0处的切向量分别为 当 时，得∑在点X0处的法向量为 则∑在点X0处的法向量为 . 四、典型例题 例1 求椭球面x2+2y2+3z2 = 6在（1, 1, 1）处的切平面方程与法线方程. 解 设F(x, y, z) = x2+2y2+3z2－6，由于 在全平面上处处连续，在（1, 1, 1）处 ，椭球面在点(1, 1, 1)处的法向量为(2, 4, 6). 则所求切平面方程为 ， 即 x + 2y + 3z = 6. 所求法线方程为 ， 即 . 例2 求曲面 平行于z = 2x+2y的切平面方程. 解 设切点为 . 曲面 ，因此 . 则曲面在 处的法向量为 . 曲面在点X0处的切平面方程为 又切平面与已知平面z = 2x+2y平行，因此 解得切点坐标为 ， 所求切平面方程为 ， 即 . 例3 求曲面 在点 处的切平面方程和法线方程. 解 点 对应曲面上的点 其中 . 则曲面在点 处的法向量为 . 所求曲面在点X0处的切平面方程为 即 . 所求的法线方程为 即 . 例4 求过直线 ，且与曲面 相切之切平面方程. 解 过直线的平面方程可设为 ， 即 ， 其法向量为 . 记 ，则 设所求的切平面的切点为 ，则曲面上 处的法向量为 . 且有 由(1)、(3)解得 , 代入(2)得 . 解得 t1 = 1, t2 = 3，故 λ1 = 3 , λ2=7. 则所求切平面方程为 ， 或 . 即 6x + y + 2z = 5 或 10x + 5y + 6z = 5. 例5 试证曲面 上任一点处的切平面都过原点，其中f(x)为可微函数. 证明 ， . 故曲面上点 处的法向量为 . 则过曲面上点 的切平面方程为 ， 整理后得 . 注意到 ，从上述方程得切平面方程为 . 可知其必定过原点.